Lecher linje

Tidigt 1902 Lecher-linje identisk med Ernst Lechers ursprungliga apparat från 1888. Vågor som genereras av den Hertziska gnistgapsoscillatorn till höger färdas längs de parallella ledningarna. Ledningarna är kortslutna i den vänstra änden, vilket reflekterar vågorna tillbaka upp i ledningarna mot oscillatorn, vilket skapar en stående spänningsvåg längs linjen. Spänningen går till noll vid noder som ligger vid multiplar av en halv våglängd från slutet. Noderna hittades genom att skjuta ett Geissler-rör , ett litet glödurladdningsrör som ett neonljus, upp och ner längs linjen (två visas på linjen). Den höga spänningen på ledningen gör att röret lyser. När röret når en nod går spänningen till noll och röret slocknar. Det uppmätta avståndet mellan två på varandra följande noder är lika med halva våglängden λ/2 av radiovågorna. Linjen visas trunkerad på ritningen; längden på linan var faktiskt 6 meter (18 fot). Vågorna som produceras av oscillatorn låg i VHF -området, med en våglängd på flera meter. Insatsen visar typer av Geissler-rör som används med Lecher-linjer.

Lecher-line utbildningssats såld av Central Scientific Company på 1930-talet för undervisning i radioteori på college. Den innehåller allt som behövs, inklusive en absorptionsvågsmätare för oberoende mätning av frekvens.

Inom elektronik är en Lecher-linje eller Lecher-trådar ett par parallella trådar eller stavar som användes för att mäta våglängden på radiovågor , främst vid VHF- , UHF- och mikrovågsfrekvenser . De bildar en kort längd av balanserad transmissionsledning (en resonansstub ). När radiovågorna är anslutna till en radiofrekvent kraftkälla, såsom en radiosändare, bildar de stående vågor längs sin längd. Genom att skjuta en ledande stång som överbryggar de två trådarna längs deras längd kan vågornas längd mätas fysiskt. Den österrikiska fysikern Ernst Lecher utvecklade denna metod för att mäta våglängd runt 1888, som förbättrade de tekniker som Oliver Lodge och Heinrich Hertz använde. Lecher-linjer användes som frekvensmätare tills frekvensräknare blev tillgängliga efter andra världskriget. De användes också som komponenter , ofta kallade " resonansstubbar ", i VHF, UHF och mikrovågsradioutrustning såsom sändare , radarapparater och TV-apparater , som fungerar som tankkretsar , filter och impedansmatchande enheter. De används vid frekvenser mellan HF / VHF , där klumpade komponenter används, och UHF / SHF , där resonanshåligheter är mer praktiska.

Våglängdsmätning

En Lecher-linje är ett par parallella oisolerade trådar eller stavar som hålls på ett exakt avstånd från varandra. Separationen är inte kritisk utan bör vara en liten del av våglängden; den sträcker sig från mindre än en centimeter till över 10 cm. Trådarnas längd beror på den inblandade våglängden ; linjer som används för mätning är i allmänhet flera våglängder långa. Det enhetliga avståndet mellan ledningarna gör dem till en transmissionsledning som leder vågor med en konstant hastighet mycket nära ljusets hastighet . Ena änden av stängerna är ansluten till källan för RF- kraft, såsom utgången från en radiosändare . I den andra änden är stängerna sammankopplade med en ledande stång mellan dem. Denna kortslutningsavslutning reflekterar vågorna. Vågorna som reflekteras från den kortslutna änden stör de utgående vågorna och skapar en sinusformad stående våg av spänning och ström på linjen. Spänningen går nära noll vid noder som ligger vid multiplar av en halv våglängd från slutet, med maxima som kallas antinoder placerade mitt emellan noderna. Därför kan våglängden λ bestämmas genom att hitta platsen för två på varandra följande noder (eller antinoder) och mäta avståndet mellan dem och multiplicera med två. Vågornas frekvens f kan beräknas från våglängden och vågornas hastighet, vilket är ungefär ljusets hastighet c :

$f={\frac {c}{\lambda }}\,$

Noderna är mycket skarpare än antinoderna, eftersom spänningsändringen med avståndet längs linjen är maximal vid noderna, så de används.

Att hitta noderna

Två metoder används för att hitta noderna. En är att använda någon typ av spänningsindikator, till exempel en RF- voltmeter eller glödlampa , ansluten till ett par kontakter som glider upp och ner i ledningarna. När glödlampan når en nod går spänningen mellan ledningarna till noll, så glödlampan slocknar. Om indikatorn har för låg impedans kommer den att störa den stående vågen på linjen, så en högimpedansindikator måste användas; en vanlig glödlampa har för lågt motstånd. Lecher och tidiga forskare använde långa tunna Geissler-rör och lade glasröret rakt över linjen. Den höga spänningen från tidiga sändare exciterade en glödurladdning i gasen. I modern tid används ofta små neonlampor . Ett problem med att använda glödurladdningslampor är att deras höga anslagsspänning gör det svårt att lokalisera den exakta spänningsminimum. I precisionsvågmätare används en RF- voltmeter .

Den andra metoden som används för att hitta noderna är att skjuta den avslutande kortslutningsstången upp och ner i linjen och mäta strömmen som flyter in i linjen med en RF- amperemeter i matarledningen. Strömmen på Lecher-linjen, liksom spänningen, bildar en stående våg med noder (punkter med minsta ström) varje halva våglängd. Så linjen uppvisar en impedans till den applicerade effekten som varierar med dess längd; när en strömnod är placerad vid ingången till linjen, kommer strömmen som dras från källan, mätt med amperemetern, att vara minimum. Kortslutningsstången skjuts nedför linjen och läget för två på varandra följande strömminima noteras, avståndet mellan dem är en halv våglängd.

Med försiktighet kan Lecher-linjer mäta frekvensen med en noggrannhet på 0,1 %.

Konstruktion

Lecher line wavemeter, från "DIY" artikel i 1946 radiotidning

En stor attraktion med Lecher-linjer var att de var ett sätt att mäta frekvens utan komplicerad elektronik, och de kunde improviseras från enkla material som finns i en typisk butik. Lecher linjevågmätare byggs vanligtvis på en ram som håller ledarna styva och horisontella, med ett spår som kortslutningsstången eller indikatorn åker på och en inbyggd mätskala så att avståndet mellan noderna kan avläsas. Ramen måste vara gjord av ett icke-ledande material som trä, eftersom alla ledande föremål nära linjen kan störa det stående vågmönstret. RF-strömmen kopplas vanligtvis in i ledningen genom en enda varvsslinga av tråd i ena änden, som kan hållas nära en sändares tankspole .

En enklare design är en "U"-formad metallstång, märkt med graderingar, med en glidande kortslutningsstång. Under drift fungerar U-änden som en kopplingslänk och hålls nära sändarens tankspole, och kortslutningsstången skjuts ut längs armarna tills sändarens plattström sjunker, vilket indikerar att den första noden har nåtts. Då är avståndet från änden av länken till kortslutningsstången en halv våglängd. Kortslutningsstången ska alltid skjutas ut , bort från länkänden, inte in , för att undvika att konvergera till en nod av högre ordning av misstag.

På många sätt är Lecher-linjer en elektrisk version av Kundts rörexperiment som används för att mäta ljudvågornas våglängd .

Mätning av ljusets hastighet

Om frekvensen f för radiovågorna är oberoende känd, kan våglängden λ mätt på en Lecher-linje användas för att beräkna hastigheten på vågorna, c , som är ungefär lika med ljusets hastighet :

$c=\lambda f\,$

1891 gjorde den franske fysikern Prosper-René Blondlot den första mätningen av hastigheten på radiovågor med denna metod. Han använde 13 olika frekvenser mellan 10 och 30 MHz och fick ett medelvärde på 297 600 km/s, vilket är inom 1 % av det aktuella värdet för ljusets hastighet. Andra forskare upprepade experimentet med större noggrannhet. Detta var en viktig bekräftelse på James Clerk Maxwells teori att ljus var en elektromagnetisk våg som radiovågor.

Andra applikationer

Huvudartikel: Stub (elektronik)

Lecher-linje som tankkrets i en RF- förstärkare . Inte visade i detta förenklade diagram är choken som matar röranoderna från HT-källan. Utan dem är de två anoderna kortslutna.

Korta längder av Lecher-linjen används ofta som hög Q- resonanskretsar , benämnda resonansstubbar . Till exempel, en kvartsvåglängd (λ/4) kortsluten Lecher-linje fungerar som en parallell resonanskrets, som uppträder som en hög impedans vid sin resonansfrekvens och låg impedans vid andra frekvenser. De används för att vid UHF- frekvenser blir värdet på induktorer och kondensatorer som behövs för " klumpade komponent " avstämda kretsar extremt lågt, vilket gör dem svåra att tillverka och känsliga för parasitisk kapacitans och induktans. En skillnad mellan dem är att överföringsledningstubbar som Lecher-linjer också resonerar vid udda talmultiplar av deras fundamentala resonansfrekvens, medan LC-kretsar med klumpar bara har en resonansfrekvens.

Effektförstärkare tankkretsar

Lecher linjekretsar kan användas för tankkretsar för UHF effektförstärkare . Till exempel använder den tvillingtetrode (QQV03-20) 432 MHz-förstärkaren som beskrivs av GR Jessop en Lecher-anodtank.

TV-tuners

Quarter-wave Lecher-linjer används för de avstämda kretsarna i RF- förstärkaren och lokaloscillatordelen av moderna TV-apparater . Den inställning som krävs för att välja olika stationer görs av varaktordioder över Lecher-linjen.

Karakteristisk impedans för Lecher-linjen

Separationen mellan Lecher-stängerna påverkar inte positionen för de stående vågorna på linjen, men den bestämmer den karakteristiska impedansen , vilket kan vara viktigt för att matcha linjen med källan för radiofrekvensenergin för effektiv kraftöverföring. För två parallella cylindriska ledare med diametern d och avståndet D ,

$Z_{0}=276\log \left({\frac {D}{d}}+{\sqrt {\left( {\frac {D}{d}}\right)^{2}-1}}\right)=$${\frac {120}{\sqrt { \epsilon _{r}}}}\cosh ^{-1}\left({\frac {D}{d}}\right)$

För parallella ledningar är formeln för kapacitans (per längdenhet) C

$C={\frac {\pi \epsilon _{0}\epsilon _{r}}{\ln {\left({\frac {2D} {d}}\right)}}}\,$

Därav som

$Z_{0}^{2}={\frac {L}{C}}$

${\begin{aligned}c&={\frac {1}{\sqrt {{\frac {L}{C}}\cdot C^{2}}}}\\&={ \frac {1}{Z_{0}\cdot \left(\pi \epsilon _{0}\epsilon _{r}\right)\cdot \ln \left({\frac {2D}{d}}\ höger)}}\end{aligned}}$

Kommersiellt tillgänglig 300 och 450 ohm dubbelbly balanserad bandmatare kan användas som en Lecher-linje med fast längd (resonansstub).

Se även

• Överföringslinje

externa länkar

• " Index till fysikdemonstrationer; Lecher-trådar ". Fysikdemonstrationer, University of Minnesota. 1997-06-16.
• " E-82. Elektromagnetisk strålning; Demonstrationskortvågsapparat ". El/magnetism, föreläsningsdemonstrationer. Purdue University.
• MB Allenson, AR Piercy och KNR Taylor " Ett förbättrat Lecher-trådsexperiment" . 1973 Phys. Educ. 8 47-49. doi : 10.1088/0031-9120/8/1/002 .
• FC Blake och BH Jackson, " The Relative Intensity of the Harmonics of a Lecher System (Experimental)" . Ohio Journal of Science. * PDF )
• FC Blake, " Den relativa intensiteten hos övertonerna i ett Lecher-system (teoretisk)" . Physical Lab, Ohio State University. ( PDF )